[論文レビュー] Analysis of time-profiles with in-beam PET monitoring in charged particle therapy

A. Kraan, S. Muraro+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2018

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、130 MeVプロトンを用いた被照射後直後の positron 発生核種（11C、15O、10C）の時間プロファイルを分析することで、荷電粒子線治療におけるインビームPETモニタリングの有効性を評価している。FLUKAモンテカルロシミュレーションと、130 MeVプロトンを照射したアーチファクトを用いた実験データを用い、測定値とシミュレーションの空間的および崩壊率プロファイルに良好な一致が得られた。特に、高密度ポリエチレンアーチファクトにおいては、10Cの実測値がMC予測を著しく上回るという顕著な過剰が観察された。これは、短寿命核種の核反応モデルに潜在する限界を示唆している。

ABSTRACT

Background: Treatment verification with PET imaging in charged particle therapy is conventionally done by comparing measurements of spatial distributions with Monte Carlo (MC) predictions. However, decay curves can provide additional independent information about the treatment and the irradiated tissue. Most studies performed so far focus on long time intervals. Here we investigate the reliability of MC predictions of space and time (decay rate) profiles shortly after irradiation, and we show how the decay rates can give an indication about the elements of which the phantom is made up. Methods and Materials: Various phantoms were irradiated in clinical and near-clinical conditions at the Cyclotron Centre of the Bronowice proton therapy centre. PET data were acquired with a planar 16x16 cm$^2$ PET system. MC simulations of particle interactions and photon propagation in the phantoms were performed using the FLUKA code. The analysis included a comparison between experimental data and MC simulations of space and time profiles, as well as a fitting procedure to obtain the various isotope contributions in the phantoms. Results and conclusions: There was a good agreement between data and MC predictions in 1-dimensional space and decay rate distributions. The fractions of $^{11}$C, $^{15}$O and $^{10}$C that were obtained by fitting the decay rates with multiple simple exponentials generally agreed well with the MC expectations. We found a small excess of $^{10}$C in data compared to what was predicted in MC, which was clear especially in the PE phantom.

研究の動機と目的

• 130 MeVプロトンを照射したアーチファクトにおいて、陽子線照射直後の positron 発生核種（11C、15O、10C）の空間的および時間的崩壊プロファイルをFLUKAモンテカルロシミュレーションがどれほど正確に予測できるかを評価すること。
• 多指数関数フィッティングを用いて、実験的崩壊曲線から相対的核種分率を抽出し、組織組成の推定を可能にすること。
• 特に高密度ポリエチレンのような炭素含有量の多い材料において、測定値とシミュレーションの10C寄与率に顕著な乖離が生じる理由を調査すること。
• 今後の生物学的および線量計測的応用を想定し、短時間インターバルPETデータを用いて、空間的・時間的分布としての核種分布（15O、11C、10C）のマッピング可能性を示すこと。

提案手法

• 130 MeVプロトンビーム（10^10 個/秒、5 秒露出）を用いて、3つの均質アーチファクト（PMMA、高密度ポリエチレン、水）および1つの不均一Zebraアーチファクト（PMMA/ポリエチレン層）を照射した。
• 平面型16×16 cm² LYSOベースのPETシステム（DoPET）を用い、非伝統的なシンプルな再構成手法（SRA）を採用することで、同時的な空間的および時間的イベント再構成を実現した。
• 粒子輸送および光子伝播をシミュレートするFLUKAを用い、空間的および時間的活動分布、特に核種別崩壊寄与を予測した。
• 照射後8～300秒の実験的崩壊曲線を、3つの指数関数の和としてフィッティングし、15O（t₁/₂=2 min）、11C（t₁/₂=20 min）、10C（t₁/₂=19 s）の相対的分率を抽出した。
• アーチファクト全体にわたり、測定値とシミュレーションの1次元zプロファイルおよび崩壊率を比較した。また、2 mmのzステップでアーチファクトをスライスし、核種寄与の空間マップを作成した。
• 無視された核種（例：5B、14O、13N）が選択された時間窓内での総活動に2%未満の寄与しかしなかったことから、妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FLUKAシミュレーションは、130 MeVプロトンを照射したアーチファクトにおける11C、15O、10Cの空間的および時間的崩壊プロファイルをどれほど正確に予測できるか？
• RQ2 照射後最初の5分間の測定崩壊率は、モンテカルロシミュレーションで予測される核種分率をどの程度反映しているか？
• RQ3 なぜ高密度ポリエチレンにおいて、実測データでは10Cが常にFLUKA予測を上回るのか？
• RQ4 時間分解能PETデータを用いて、不均一アーチファクトにおける異なる positron 発生核種（15O、11C、10C）の空間的分布をマッピングできるか？
• RQ5 観察された10Cの乖離は、インビームPETにおける組織組成解析および生物学的モデリングにどのような影響を及えるか？

主な発見

• 測定値とFLUKA予測の1次元zプロファイルの間には良好な一致が確認され、Zebraアーチファクトの層状構造が、PMMAとPEにおける15O生成の差異により明確に再現された。
• 実験的データにおける10Cの相対的分率は、常にFLUKAシミュレーションの予測を上回っており、特に高密度ポリエチレンアーチファクトでは、データ分率20.7%、MC予測14.3%の差が生じた。
• 水およびPMMAアーチファクトにおいても、10C分率は実測値が高め（水：1.6% 対 2.4% MC、PMMA：8.8% 対 6.6% MC）に観察されたが、ポリエチレンに比べて顕著さはやや低かった。
• 15Oの分率はFLUKAにより良好に予測された（水：データ89.4% 対 MC 91.5%）、酸素含有組織の相互作用のモデリングの正確性が裏付けられた。
• 核種の空間マッピングにより、明確なパターンが得られた：15OはPMMA領域に多く、ポリエチレンでは検出されなかった。一方、10Cは均一に分布していたが、短い半減期に応じて急速に崩壊した。
• 実測データにおける10Cマップは、MCシミュレーションと乖離を示しており、特にアーチファクトの深部で顕著であった。これは、短寿命核種の生成または輸送を密度の高い材料で正確にモデリングする能力の限界を示唆している。